EP3469657B1

EP3469657B1 - Antenne filaire large bande a motifs resistifs avec resistance variable

Info

Publication number: EP3469657B1
Application number: EP17731504.1A
Authority: EP
Inventors: Stéphane Mallegol; Michel Jousset; Pierre BELEC
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2021-12-29
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: FR3052600B1; WO2017212047A1; FR3052600A1; EP3469657A1; US11509062B2; US20200044356A1

Description

La présente invention concerne une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquence prédéterminée, comportant une pluralité de couches superposées.
L'invention trouve des applications notamment dans le domaine des systèmes d'écoute électromagnétique.
Dans un système d'écoute électromagnétique, par exemple aéroporté ou naval, les antennes, qui sont utilisées soit unitairement soit en réseau goniométrique, doivent fonctionner dans une très large bande de fréquences et dans une polarisation circulaire, linéaire ou double linéaire, correspondant respectivement aux plages d'intérêt des signaux électromagnétiques en fréquence et en polarisation. Il est à noter que les caractéristiques d'une antenne étant les mêmes en réception et en émission, une antenne peut être caractérisée soit en émission, soit en réception.
Ces antennes doivent présenter un encombrement le plus réduit possible et, en particulier, une épaisseur faible, notamment pour être plus aisément intégrées sur des porteurs. Elles doivent également présenter des performances de rayonnement (gain, qualité des diagrammes de rayonnement, etc.) reproductibles d'une antenne à l'autre, en particulier pour des applications en réseau ou pour en permettre le remplacement lors d'une opération de maintenance.
Dans ce contexte, il est connu d'utiliser des antennes filaires. Dans une telle antenne, l'élément rayonnant est constitué d'un fil métallique qui est conformé pour décrire, dans une surface dite de rayonnement, un motif du type en spirale ou du type log-périodique.
Dans une antenne du type en spirale, le fil métallique est enroulé sur lui-même de manière à former, en vue de dessus, une spirale. Cette spirale peut par exemple être une spirale d'Archimède, une spirale logarithmique, ou autre.
Dans une antenne du type log-périodique, le fil métallique est conformé de manière à comporter, en vue de dessus, plusieurs brins. Chaque brin est inscrit dans un secteur angulaire, s'étend radialement et présente des indentations. La longueur de chaque dent et l'écartement entre deux dents successives d'un brin suivent une progression logarithmique.
En pratique, en technologie planaire, l'élément rayonnant est réalisé par gravure d'une couche métallique fine, par exemple une couche de cuivre d'épaisseur comprise entre 2 et 20 µm (micromètres), déposée sur une couche de support de faible épaisseur.
On connaît dans l'état de la technique de premières antennes filaires à cavité absorbante, dans lesquelles l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane ou conformée, est situé au-dessus d'une cavité absorbante délimitée par des parois métalliques, et remplie d'un matériau absorbant les ondes électromagnétiques. L'élément rayonnant est propre à émettre une onde qui se propage vers l'avant de la surface de rayonnement (à l'écart de la cavité absorbante) et une onde qui se propage vers l'arrière de la surface de rayonnement (vers la cavité absorbante). Cette dernière est absorbée par la cavité absorbante.
Une telle antenne présente un encombrement important à cause des dimensions de la cavité absorbante. Elle présente également un rendement faible puisque la moitié de la puissance émise par l'élément rayonnant est absorbée dans la cavité absorbante. Enfin, la reproductibilité des performances radioélectriques d'une telle antenne est difficile à obtenir, à cause d'un manque de maîtrise des caractéristiques électromagnétiques du matériau absorbant remplissant la cavité.
Dans une deuxième antenne filaire selon l'état de la technique, les éléments rayonnants sont placés sur une structure électromagnétique chargée à bande interdite, appelée LEBG (pour Loaded Electromagnetic Band Gap), sur un plan de masse inférieur. Dans une telle antenne une surface composée de motifs métalliques périodiques reliés par des résistances est placée dans la cavité de l'antenne. Dans cette antenne, l'onde émise vers l'arrière par l'élément rayonnant est absorbée dans une couche peu épaisse constituée d'un plan réflecteur métallique surmonté de métal et du matériau LEBG chargé par des résistances.
Cette solution permet d'obtenir des antennes large bande de faible épaisseur, et ayant une stabilité de rayonnement améliorée. Cependant, à cause de l'absorption des courants de surface, les performances de rayonnement sont similaires à celles des antennes sur cavité absorbante.
Dans une troisième antenne filaire de l'état de la technique, l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est situé au-dessus d'un plan réflecteur en métal. Dans cette antenne, l'onde émise vers l'arrière de la surface de rayonnement par l'élément rayonnant est réfléchie vers l'avant par le plan réflecteur. Lors de cette réflexion, l'onde est déphasée d'un angle π. L'onde réfléchie se propage vers l'avant et vient interférer, au-delà de la surface de rayonnement, avec l'onde émise vers l'avant par l'élément rayonnant. Cette interférence est constructive lorsque, pour une position du front d'onde, les phases des ondes émise vers l'avant et réfléchie vers l'avant sont proches. Ceci se produit si la distance séparant la surface de rayonnement et le plan réflecteur est proche de λ/4, où A est la longueur d'onde dans le milieu de propagation correspondant à la fréquence de l'onde émise.
L'épaisseur d'une telle antenne est réduite par rapport à celle d'une antenne à cavité absorbante. De plus, sa fabrication est fortement simplifiée et reproductible.
Cependant, la bande de fréquences d'une telle antenne est restreinte à cause de la relation entre la fréquence de fonctionnement de l'antenne et la distance entre la surface de rayonnement et le plan réflecteur. De plus, les interactions multiples entre l'élément rayonnant et le plan de masse inférieur engendrent une dégradation des diagrammes de rayonnement de l'antenne, les rendant inexploitables pour des applications de type goniométrie d'amplitude par exemple.
Dans une quatrième antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant est gravé sur une surface à haute impédance (SHI), reposant sur des motifs métalliques périodiques espacés, placés dans la cavité de l'antenne et reliés au plan de masse par des liaisons, également appelées vias, métallisées. La bande d'efficacité d'une telle antenne dans laquelle les interférences entre onde incidente et onde réfléchie sont constructives correspond sensiblement à une octave. Par conséquent, ce type d'antenne est limité à des bandes étroites de fonctionnement, et ne permet pas de couvrir simultanément une bande de fréquences multi-octaves.
Dans une cinquième antenne filaire de l'art antérieur, l'élément rayonnant, gravé sur une surface de rayonnement plane, est disposé au-dessus d'un plan en un matériau conducteur magnétique parfait (PMC pour « Perfect Magnetic Conductor » en anglais). Dans cette antenne, l'onde émise par l'élément rayonnant vers l'arrière de la surface de rayonnement est réfléchie vers l'avant par le matériau PMC, avec un déphasage nul. Cette onde réfléchie vers l'avant vient interférer, au-delà de la surface de rayonnement, avec l'onde émise vers l'avant par l'élément rayonnant. Cette interférence est constructive à condition que, pour une position du front d'onde, les phases entre les ondes émise vers l'avant et réfléchie vers l'avant soient proches. Cette condition est remplie si la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC est très petite devant la longueur d'onde A. L'épaisseur d'une telle antenne est fortement réduite par rapport à celle d'une antenne à cavité absorbante.
Cependant, la bande de fréquences accessible au moyen d'une telle antenne est restreinte. En effet, si la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC est choisie très faible, il y a une limitation aux fréquences basses à cause d'une forte diminution de l'impédance et l'établissement d'un court-circuit entre l'élément rayonnant et le plan PMC. En revanche, si cette distance est choisie plus grande, pour chaque fréquence de fonctionnement telle que λ/4 soit un multiple de la distance entre la surface de rayonnement et le plan PMC, la puissance rayonnée vers l'avant de la surface de rayonnement est nulle.
Dans une sixième antenne filaire de l'état de la technique, les éléments rayonnants sont placés sur un substrat magnéto-diélectrique progressif. Dans une septième antenne à éléments rayonnants de l'art antérieur, les éléments rayonnants sont placés sur substrat diélectrique de permittivité relative élevée et percé de trous verticaux minces.
Cependant, il a été constaté que ces deux types d'antennes présentent l'inconvénient d'un diagramme de rayonnement très dépendant de la fréquence. Plus particulièrement, l'ouverture angulaire de lobe de rayonnement (ouverture à mi-puissance, par exemple), varie très rapidement avec la fréquence.
Enfin, une huitième antenne filaire de l'état de la technique comprend, intercalée entre l'élément rayonnant considéré et le plan réflecteur métallique (ou plan de masse) inférieur de la cavité, une couche constituée de motifs résistifs à valeur de résistance fixée, disposés dans la zone de rayonnement dite en champ proche du ou des éléments rayonnants. Les motifs résistifs forment une couche de résistance partielle, des espaces étant aménagés entre motifs voisins, et peuvent être réalisés à partir d'une encre résistive.
Une telle antenne présente un faible encombrement, un bon rendement et un diagramme de rayonnement stable. De plus, cette solution apporte une amélioration du gain axe en polarisation adaptée par rapport aux première et deuxième antennes évoquées ci-dessus, ce gain pouvant être amélioré typiquement d'environ 5 dB (décibels).
Cependant, ce type d'antenne présente une diminution importante du gain axe en polarisation adaptée pour de basses fréquences, et le rapport axial, dans le cas d'une antenne de type spirale, reste dégradé pour de basses fréquences, typiquement supérieur à 3 dB pour des fréquences en dessous de 1 GHz (GigaHertz), traduisant un caractère non circulaire de la polarisation de l'onde électromagnétique à ces fréquences.
Le rapport axial est classiquement donné par la formule suivante, E_θ et E_ϕ désignant les composantes de champ électrique suivant les axes principaux du référentiel considéré : $AR = \sqrt{\frac{{|E_{θ}|}^{2} + {|E_{φ}|}^{2} - |E_{θ}^{2} + E_{φ}^{2}|}{{|E_{θ}|}^{2} + {|E_{φ}|}^{2} + |E_{θ}^{2} + E_{φ}^{2}|}}$
Pour une antenne à polarisation circulaire, un rapport axial typiquement inférieur à 3 dB est recherché (polarisation circulaire théorique : rapport axial de 1, soit 0 dB).
Le brevet FR 3 017 493 décrit une antenne filaire comprenant une couche constituée de motifs résistifs à valeur de résistance fixée intercalée entre l'élément rayonnant considéré et le plan réflecteur métallique.
Le brevet US 5,170 , 175 A décrit également une antenne spirale formée par couches.
L'invention a pour but de corriger les problèmes précités, en proposant une antenne filaire à grand gain, à faible rapport axial et avec des diagrammes de rayonnement stables sur une large bande de fréquence.
A cet effet, l'invention propose une antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée, comportant une pluralité de couches superposées, comportant au moins un élément rayonnant placé sur une couche de support, ladite couche de support étant placée sur un substrat espaceur, ledit substrat espaceur étant placé sur un plan réflecteur, comprenant au moins une couche résistive entre la couche de support du ou des éléments rayonnants et ledit substrat espaceur, la couche résistive comprenant au moins deux ensembles de motifs résistifs imbriqués. Cette antenne est telle que les ensembles de motifs résistifs ont des valeurs de résistance variant progressivement entre un point central d'antenne et un bord extérieur de l'antenne, de manière à réaliser un gradient de résistance.
Avantageusement, l'antenne filaire selon l'invention permet une interaction optimale entre le ou les éléments rayonnants et le plan réflecteur ou plan de masse, sur une bande de fréquences la plus large possible.
Avantageusement, l'antenne filaire selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison, selon toutes combinaisons techniquement acceptables.
L'antenne comporte une première portion résistive périphérique continue, disposée dans une zone périphérique de la couche résistive et entourant le ou les ensembles de motifs résistifs de ladite couche résistive.
La première portion résistive périphérique continue a une forme de couronne circulaire ou carrée.
L'antenne comporte une deuxième portion résistive périphérique continue, disposée sur la couche de support dudit élément rayonnant et entourant ledit élément rayonnant, ladite deuxième portion ayant des caractéristiques de forme et de résistance analogues aux caractéristiques de ladite première portion résistive périphérique continue.
L'antenne comporte une pluralité d'ensembles de motifs résistifs, chaque ensemble de motifs résistifs étant composé de motifs résistifs élémentaires non jointifs et ayant une valeur de résistance associée, ladite valeur de résistance étant la même pour tous les motifs résistifs élémentaires d'un ensemble de motifs résistifs.
L'antenne comporte une pluralité d'ensembles de motifs résistifs, chaque ensemble de motifs résistifs étant composé de motifs résistifs élémentaires non jointifs, chaque motif résistif élémentaire ayant valeur de résistance variable graduellement sur sa surface, la variation de résistance ayant un même sens de variation que celui de ladite variation progressive entre le point central d'antenne et le bord extérieur de l'antenne.
Tous les motifs résistifs élémentaires d'un même ensemble de motifs ont une même forme géométrique et sont régulièrement espacés.
Les ensembles de motifs résistifs sont concentriques et ont une topologie carrée ou circulaire.
Les motifs résistifs sont réalisés en encre résistive.
L'antenne comporte une pluralité de couches résistives à ensembles de motifs résistifs imbriqués à valeurs de résistance variant progressivement entre un point central d'antenne et un bord extérieur de l'antenne, deux couches résistives successives étant séparées par au moins une couche de substrat.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une représentation en perspective d'une antenne filaire selon la figure 1 ;
la figure 3 est une vue de dessus de la couche résistive selon un premier mode de réalisation ;
les figures 4 et 5 illustrent des performances d'une antenne d'exemple selon le premier mode de réalisation ;
la figure 6 est une vue de dessus de la couche résistive selon une variante du premier mode de réalisation ;
la figure 7 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 8 est une vue de dessus d'une mise en œuvre d'une antenne filaire selon la figure 7 ;
la figure 9 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 10 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
les figures 11 et 12 illustrent les performances d'une antenne d'exemple conforme au quatrième mode de réalisation.

Les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue en coupe transversale et une vue en perspective d'une antenne filaire 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation l'antenne filaire 2 est une antenne à large bande de fréquences, apte à fonctionner sur une décade, par exemple, typiquement, dans un intervalle de fréquences de 1 GHz à 10 GHz.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne filaire 2 a la forme d'un disque de circonférence circulaire C, de centre O et plusieurs couches concentriques empilées selon un axe A.
Un élément rayonnant 4, disposé sur une surface plane S, également appelée surface de rayonnement, est placé sur une couche de support planaire 6, formant un premier substrat, elle-même disposée au-dessus d'un deuxième substrat espaceur 8.
Le premier substrat 6 est en matériau diélectrique de permittivité relative donnée. Par exemple, le premier substrat est constitué d'un matériau diélectrique de faible permittivité relative (e.g. mousse) ou d'un matériau diélectrique de type Duroid (marque déposée) ou d'un matériau composite possiblement multicouches.
En variante, le premier substrat est en matériau magnéto-diélectrique ou magnétique pur.
Selon une autre variante, le premier substrat 6 est formé d'un matériau diélectrique progressif ou percé, évidé en son centre, de manière à réaliser une permittivité relative croissante du centre vers le bord extérieur de l'antenne.
Le substrat espaceur 8 est disposé sur un plan réflecteur 10. Le plan réflecteur 10 est de préférence métallique, et est situé à une distance h1 au-dessous de la surface de rayonnement S. Il a pour fonction de réfléchir toute onde incidente quelle que soit sa fréquence dans un intervalle de fréquence donné.
En variante, le plan réflecteur métallique 10 n'est pas plein mais présente des ajourages, par exemple des fentes.
Le substrat espaceur 8 présente la forme générale extérieure d'un cylindre plat d'axe A et d'épaisseur h2 sensiblement constante.
L'épaisseur h2 du substrat espaceur 8 est supérieure aux épaisseurs des autres couches formant l'antenne 2, et fome une cavité d'antenne.
De préférence, l'épaisseur h2 est choisie de telle sorte que l'épaisseur totale de l'antenne satisfasse, sans motifs résistifs, la relation de déphasage suivante, traduisant une interférence constructive (en termes d'ondes électromagnétiques) entre le circuit rayonnant et le plan réflecteur (déphasage compris entre -120° et +120°) : $- 2 βH + π = 0$
$β = 2 πF \frac{\sqrt{ε_{eff} \cdot μ_{eff}}}{c},$
H étant l'épaisseur globale de l'antenne, fonction de h2. Le terme F désigne la fréquence. Le terme c représente la vitesse de propagation des ondes dans le vide et ε_eff et µ_eff désignent, respectivement, la permittivité relative effective et la perméabilité relative effective, fonction des matériaux constitutifs de l'antenne.
Ce substrat espaceur 8 est en matériau diélectrique de permittivité donnée. Par exemple, le substrat espaceur est constitué d'un matériau diélectrique de faible permittivité relative (e.g. mousse) ou d'un matériau diélectrique de type Duroid (marque déposée) ou d'un matériau composite possiblement multicouches.
En variante, le substrat espaceur 8 est en matériau magnéto-diélectrique ou magnétique pur.
Dans un mode de réalisation alternatif, le substrat espaceur 8 est formé en un matériau diélectrique progressif ou percé, évidé en son centre, de manière à réaliser une permittivité relative croissante du centre vers le bord extérieur.
Entre la couche de support 6 et le substrat espaceur 8 est disposée une couche résistive 12, à motifs résistifs réguliers sur au moins une couronne de centre O.
La couche résistive 12 est composée d'une pluralité d'ensembles 12a, 12b, 12c de motifs résistifs ayant des valeurs de résistances différentes, variant progressivement entre le point central d'antenne O et un bord C extérieur de l'antenne.
Dans le premier mode de réalisation illustré aux figures 1 et 2, l'ensemble de motifs 12c est placé centralement autour de l'axe A de l'antenne, l'ensemble de motifs 12b est placé autour de l'ensemble de motifs 12c, et l'ensemble de motifs 12a est placé autour de l'ensemble de motifs 12b.
Ainsi, les ensembles de motifs sont concentriques et imbriqués.
Le nombre d'ensembles de motifs formant l'antenne n'est pas limité.
La couche résistive 12 est, selon une première variante de réalisation, disposée sur une première face 14, ou face supérieure, du substrat espaceur 8 orientée vers l'élément rayonnant 4 et opposée à la deuxième face 16, ou face inférieure, en contact avec le réflecteur métallique 10.
Selon une deuxième variante de réalisation, la couche résistive 12 est disposée sur une deuxième face 20 ou face inférieure de la couche de support 6, l'élément rayonnant 4 étant disposé sur la première face 18 ou face supérieure de la couche de support 6.
La couche résistive 12 est disposée dans une zone de champ proche de l'élément rayonnant 4, espacée du plan réflecteur 10 par le substrat espaceur 8 d'épaisseur h2.
De préférence, la couche résistive 12 est réalisée à partir d'une encre résistive par procédé sérigraphique, les motifs résistifs étant déposés sur la face de support choisie selon la première ou la deuxième variante décrite ci-dessus.
Dans le cas d'un dépôt d'encre résistive par sérigraphie, on utilise une encre résistive ayant une caractéristique de résistivité exprimée en Ω par carré.
L'élément rayonnant 4 comporte des premier et second fils métalliques 22 et 24 qui sont respectivement conformés selon un motif du type en spirale ou de type log-périodiques sinueuse par exemple. Plus particulièrement, le motif forme une spirale d'Archimède dans le mode de réalisation de la figure 1.
Chaque fil, 22, 24, est enroulé autour du point origine O, qui correspond à l'intersection de l'axe A et de la surface de rayonnement S.
L'élément rayonnant 4 est par exemple réalisé par une opération de gravure, directement sur la face supérieure 18 de la couche de support 6.
Un dispositif d'alimentation (non représenté) de l'élément rayonnant 4 est placé au-dessous du plan réflecteur 10, qui est relié électriquement à la masse. Le plan réflecteur 10 et les couches 8, 12, 6 placées au-dessus sont munis d'un passage évidé 28, le long de l'axe A, pour le passage d'un fil conducteur propre à être connecté à l'élément rayonnant 4, afin d'alimenter électriquement ce dernier.
En fonctionnement, une zone active de l'élément rayonnant 4 émet une première onde directe se propageant vers l'avant, c'est-à-dire à l'écart du substrat espaceur 8, et une deuxième onde se propageant vers l'arrière, c'est-à-dire en direction du substrat espaceur 8.
La deuxième onde traverse la couche résistive 12, le substrat espaceur 8, est réfléchie par le plan réflecteur 10, puis traverse à nouveau le substrat espaceur 8, et la couche résistive 12.
La couche résistive 12 comprend des motifs résistifs disposés en plusieurs ensembles, chaque ensemble étant disposé sur au moins une couronne de centre O.
La figure 3 illustre un mode de réalisation de la couche résistive 12, lorsque l'antenne a la forme d'un disque de circonférence C.
Dans ce mode de réalisation, la couche résistive comprend six ensembles de motifs résistifs, 30a à 30f, chaque ensemble de motifs étant formé de motifs résistifs élémentaires 32a à 32f, l'ensemble 30a étant le plus proche du bord extérieur C et l'ensemble 30f étant le plus proche du centre 0 de l'antenne.
On note plus généralement 30n un ensemble de motifs résistifs, et 32n un motif résistif élémentaire associé. La taille des motifs résistifs élémentaires de deux ensembles de motifs différents peut être identique ou différente, comme illustré à la figure 3.
Les motifs résistifs élémentaires sont carrés également et régulièrement espacés.
Dans l'exemple de réalisation illustré, les motifs résistifs élémentaires 32n d'un même ensemble de motifs 30n ont une même taille et une même valeur de résistance Rn, appelée valeur de résistance associée à l'ensemble de motifs 30n. Deux ensembles de motifs adjacents ont des valeurs de résistance différente, et par conséquent les ensembles de motifs résistifs sont sélectifs en fréquence. En d'autres termes, la différence graduelle de valeur de résistance entre ensembles de motifs adjacents, associée au fait qu'une antenne de type spirale a une zone de rayonnement en champ proche dépendant de la fréquence produit un effet sélectif en fréquence.
Les valeurs de résistance sont choisies pour varier progressivement entre un point central d'antenne O et la périphérie de l'antenne, de manière à réaliser un gradient de résistance.
On appelle ici gradient de résistance une variation des valeurs de résistance entre une valeur minimale et une valeur maximale. Le gradient est sensiblement continu si la variation est quasi monotone.
Par exemple, la valeur de résistance minimale est la valeur associée à l'ensemble de motifs résistifs 30a, situé en périphérie de l'antenne, et la valeur de résistance maximale à l'ensemble de motifs résistifs 30f le plus proche du centre O.
Dans un exemple non limitatif, les valeurs de résistance en ohms (Ω) sont les suivantes, en notant Ci le carré correspondant au motif résistif élémentaire 32i.
Ra=1000 Ω/C_a; Rb=5000 Ω/C_b; R_c=10000 Ω/C_c; R_d=15000 Ω/C_d; Re=20000 Ω/C_e ; Rf=30000 Ω/C_f.
Il est à noter que les motifs résistifs ont une forme géométrique et une épaisseur, et sont réalisés en un matériau résistif, qui est une encre résistive dans le cas d'un dépôt par sérigraphie, ayant une valeur de résistivité ρ donnée, exprimée en Ω.m. La résistance effective obtenue pour un motif, par exemple pour un motif de forme carrée de côté a et d'épaisseur e, prise entre deux côtés opposés du carré, est : $R = \frac{ρ}{e} (en Ω)$
Les figures 4 et 5 illustrent les performances radiofréquence d'une antenne ayant les caractéristiques suivantes :

un élément rayonnant de diamètre 120 mm, de type spirale d'Archimède à deux brins, gravé sur un premier substrat 6 en matériau diélectrique de type RO4350 (marque déposée) d'épaisseur 0,254 mm ;
une couche 12 formée de six ensembles de motifs résistifs telle que décrite ci-dessus, disposée à 0,254 mm de l'élément rayonnant ;
un substrat espaceur 8 de type mousse à faible constante diélectrique, d'épaisseur h2=10 mm ;
un plan réflecteur 10 inférieur.

Les motifs résistifs élémentaires 32a, 32b sont carrés de côté égal à 0,098 λ_Fc, et les motifs résistifs 32c-32f sont carrés de côté égal à 0,049 λ_Fc, avec λ_Fc la longueur d'onde dans le vide, à la fréquence centrale de la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne (ici, 0,8 GHz à 10 GHz). La fréquence centrale est calculée par la moyenne arithmétique des fréquences extrêmes de la bande de fréquences.
Chaque ensemble de motifs 30i est formé de motifs résistifs élémentaires carrés, le centre de chaque carré élémentaire étant disposé sur le contour d'un carré de support associé à l'ensemble de motifs 30i de côté égale à 2Di, les valeurs respectives de Di étant les suivantes :
Da=0,662 λ_Fc ; Db=0,515 λ_Fc ; Dc=0,392 λ_Fc ; Dd=0,294 λ_Fc ; De=0,196 λ_Fc ; Df=0,098 λ_Fc .Les motifs résistifs élémentaires voisins d'un même ensemble de motifs sont espacés de 0,049 λ_Fc selon la direction verticale et /ou horizontale.
La forme, la taille sont variables et définies, pour chaque mode de réalisation, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D ou simulateur électromagnétique. Lors d'une étape d'optimisation électromagnétique.
D'une manière générale, étant donnés des dimensions d'antenne (taille et épaisseur de cavité), un ensemble de matériaux des diverses couches, un nombre et une topologie des ensembles de motifs résistifs, et les valeurs de résistance associées, on calcule, à l'aide d'un logiciel de simulation électromagnétique 3D, la taille des motifs et l'espacement des motifs pour optimiser les performances radiofréquence obtenues.
De tels logiciels de simulation sont connus, par exemple des logiciels réalisant la résolution des équations de Maxwell sous la forme intégrale, par la méthode des intégrales finies.
La taille et la topologie des motifs sont choisies pour améliorer la stabilité du diagramme de rayonnement.
Etant donnés une hauteur de substrat support 6, une hauteur du substrat espaceur 8 et des valeurs de permittivités relatives des matériaux de substrat diélectriques, le choix des valeurs des résistances associées aux ensembles de motifs de la couche résistive 12 et de la forme de motifs est guidé par un compromis à trouver entre le gain en champ lointain rayonné dans l'axe radioélectrique, donc l'efficacité de rayonnement, et la forme ou la stabilité du diagramme de rayonnement (ouverture angulaire de lobe suivant la fréquence).
Le choix des diverses valeurs de résistance, de taille de motif élémentaire et des distances associées se fait par mise en œuvre de plusieurs simulations et comparaison des résultats pour sélectionner les valeurs et motifs les mieux adaptés pour une application visée.
La figure 4 représente le gain axe exprimé en décibels en fonction de la fréquence, pour une polarisation circulaire droite (RHCP) et une polarisation circulaire gauche (LHCP) pour l'antenne d'exemple détaillée ci-dessus (de polarisation adaptée théorique RHCP).
La figure 5 représente le rapport axial, qui est le rapport dans l'axe radioélectrique, en décibels, en fonction de la fréquence.
La bande de fréquence considérée est de [0,5 GHz - 10 GHz]
Ces figures illustrent une amélioration du gain axe en polarisation adaptée dans le bas de la bande de fréquence considérée par rapport à une antenne à motifs résistifs de valeur de résistance constante fixée. Un gain de +6dB est constaté à 0,5 GHz, de +15 dB à 1 GHz et de +4 dB à 2 GHz. Au-delà de 5GHz, le gain axe est analogue à celui obtenu avec une antenne à motifs résistifs de valeur de résistance constante fixée.
On constate également une amélioration au niveau de la polarisation croisée dans le bas de la bande de fréquence, le rapport axial passant par exemple de 13,5 dB à environ 3,5 dB dans les très basses fréquences (inférieures à 0,5 GHz), ce qui induit une amélioration de la pureté de polarisation circulaire de l'antenne aux basses fréquences.
De plus, les diagrammes de rayonnement sont stables.
Le premier mode de réalisation a été décrit ci-dessus avec une topologie de motifs résistifs disposés en carré et formés de motifs résistifs élémentaires carrés.
Des variantes de topologie des motifs sont envisageables.
Selon une variante, la couche résistive comprend des ensembles de motifs résistifs concentriques en anneau, des motifs résistifs élémentaires carrés et de même taille étant régulièrement disposés radialement et angulairement pour former des anneaux centrés en O. La topologie est appelée topologie radiale.
Selon une autre variante, illustrée schématiquement à la figure 6, les ensembles de motifs ont une topologie radiale, répartis en anneaux 34a, 34b,..., concentriques, chacun étant formé de motifs élémentaires 36, qui sont des portions d'anneau en forme de trapèze isocèle. Par exemple, chaque ensemble de motifs en anneau est composé de motifs de mêmes dimensions et régulièrement espacés, les dimensions des motifs par anneau variant en fonction du rayon de l'anneau, donc de la distance par rapport au centre O.
Le premier mode de réalisation a été décrit ci-dessus avec des ensembles de motifs élémentaires, chaque ensemble de motifs élémentaires ayant une valeur de résistance associée, la valeur de résistance étant la même pour chaque motif résistif élémentaire de l'ensemble.
Selon une variante, un gradient de résistance est appliqué pour chaque motif résistif élémentaire, ce qui permet de réaliser un gradient de résistance au sein de chaque ensemble de motifs. Lorsque le gradient de résistance intramotif évolue dans le même sens que le gradient de résistance intermotifs, la transition entre motifs résistifs adjacents est d'autant plus graduelle. Il est alors possible de réaliser un gradient de résistance quasi-monotone entre le centre et la périphérie de l'antenne réalisée.
Le premier mode de réalisation a été décrit ci-dessus en référence aux figures 3 à 6 avec des ensembles de motifs résistifs formant un gradient de résistance qui augmente de la périphérie de l'antenne vers son centre.
Alternativement, il est également envisagé de former un gradient de résistance qui augmente du centre de l'antenne vers sa périphérie.
Par exemple, les valeurs de résistance en ohms (Ω) des motifs résistifs élémentaires de la figure 3 sont alors : Rf=1000 Ω/C_f ; Re=5000 Ω/C_e ; Rd=10000 Ω/C_d ; Rc=15000 Ω/C_c ; Rb=20000 Ω/C_b ; Ra=30000 Ω/C_a.
Une telle alternative permet de favoriser la nature circulaire de la polarisation de l'onde électromagnétique, le rapport axial devenant inférieur à 2 dB sur toute la bande de fréquences considérée.
La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire 40 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 8 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de la couche résistive 12 de l'antenne filaire 40.
Les éléments communs de l'antenne 40 avec l'antenne 2 du premier mode de réalisation sont notés par les mêmes références, et ne sont pas décrits plus avant.
La couche résistive comporte des ensembles de motifs résistifs de résistance variable tels que décrits ci-dessus et comporte également, dans ce deuxième mode de réalisation, une portion résistive périphérique continue 44 entourant les ensembles de motifs résistifs.
Avantageusement, cette portion résistive est réalisée suivant le même procédé que celui des ensembles de motifs résistifs, par exemple par sérigraphie, dépôt aérosol ou impression 3D.
La portion résistive périphérique continue 44 est, de manière analogue aux ensembles de motifs résistifs, soit disposée sur la première face 14, ou face supérieure, du substrat espaceur 8, soit disposée sur la deuxième face 20 ou face inférieure de la couche de support 6.
De préférence, la valeur de résistance de la portion résistive périphérique continue 44 est égale à la valeur de résistance de l'ensemble périphérique de motifs résistifs, par exemple l'ensemble 12a de la figure 7 ou de l'ensemble 30a de la figure 8.
De préférence, la portion résistive périphérique continue 44 a une forme d'anneau pour une antenne circulaire.
En variante, la portion résistive périphérique continue 44 a une forme de couronne carrée.
De manière plus générale, la forme de la portion résistive périphérique continue 44 est fonction de la forme de la cavité d'antenne.
Par exemple, elle présente une dimension d'épaisseur selon l'axe A comprise par exemple entre 10 et 20 µm et une largeur dans le plan de la couche résistive de l'ordre de plusieurs mm, par exemple 6 mm.
De préférence, la portion résistive périphérique continue 44 est jointive aux motifs résistifs élémentaires périphériques de l'antenne 40, comme illustré à la figure 8.
L'ajout d'une telle portion résistive périphérique continue 44 permet une amélioration du rapport axial dans le bas de la bande de fréquences par rapport à celui obtenu sans portion résistive périphérique. Par exemple, à 0,5 GHz, le rapport axial passe à 2,2 dB, et reste inchangé pour les plus hautes fréquences. De plus, aucune régression du gain axe en polarisation adaptée n'est observée.
Avantageusement, ce deuxième mode de réalisation autorise un faible rapport axial et un grand gain en polarisation adaptée.
Il est entendu que ce deuxième mode de réalisation est combinable avec toutes les variantes du premier mode de réalisation décrit ci-dessus.
La figure 9 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire 50 selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Les éléments communs de l'antenne 50 avec les antennes 2, 40 déjà décrites sont notés par les mêmes références, et ne sont pas décrits plus avant.
Outre les éléments précédemment décrit, une deuxième portion résistive périphérique continue 52 est ajoutée, en plus de la première portion résistive périphérique continue 44.
Cette deuxième portion résistive périphérique continue 52 est ajoutée sur la face supérieure 18 du premier substrat, du même côté que l'élément rayonnant 4.
De préférence, la deuxième portion résistive périphérique continue 52 entoure l'élément rayonnant et a les mêmes caractéristiques de forme et de résistivité que la première portion résistive périphérique continue 44.
Avantageusement, cette deuxième portion résistive périphérique continue 52 permet d'améliorer le rapport axial dans le bas de la bande de fréquences de l'antenne, en permettant de maîtriser les effets de bout de brins de l'élément rayonnant 4 en circuit ouvert. Typiquement à 0,5 GHz, le rapport axial passe à 1,6 dB, et reste inchangé pour les plus hautes fréquences.
La stabilité du diagramme d'antenne est maintenue.
La figure 10 est une vue en coupe transversale d'une antenne filaire 60 selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce quatrième mode de réalisation, l'antenne 60 comporte une pluralité de couches à ensembles de motifs résistifs de résistances ayant une variation progressive formant un gradient de résistances.
A la figure 10, trois couches résistives 62, 64, 66 sont illustrées, séparées par des couches de substrat 68, 70, 72.
Comme expliqué précédemment, pour former une couche résistive donnée, les ensembles de motifs résistifs sont soit déposés sur la face supérieure (en regard de l'élément rayonnant) du substrat situé en dessous selon l'axe A, soit sur la face inférieure (en regard du plan réflecteur) du substrat situé au-dessus selon l'axe A.
La structuration en une pluralité de couches permet une amélioration du gain en polarisation adaptée de l'antenne, principalement dans le bas de la bande de fréquences, et une meilleure stabilisation des diagrammes de rayonnement.
En référence à la figure 10, on illustre une antenne 60 comportant :
un élément rayonnant de diamètre 120 mm, de type spirale d'Archimède à deux brins, gravé sur un premier substrat 6 en matériau diélectrique de type RO4350 d'épaisseur 0,254 mm ;

une première couche résistive 62, constituée de deux ensembles 62a, 62b de motifs résistifs constitués de motifs élémentaires carrés non jointifs, de résistances respectives 20000 Ω par carré, et 30000 Ω/carré;
un premier substrat espaceur 68 de type mousse à faible constante diélectrique, d'épaisseur 2,75 mm ;
une deuxième couche résistive 64, constituée de deux ensembles 64a, 64b de motifs résistifs constitués de motifs élémentaires carrés non jointifs, de résistances respectives 10000 Ω/carré et 15000 Ω/carré ;
un deuxième substrat 6' en matériau diélectrique de type RO4350 (marque déposée) d'épaisseur 0,254 mm ;
un deuxième substrat espaceur 70 de type mousse à faible constante diélectrique, d'épaisseur 2,75 mm ;
une troisième couche résistive 66, constituée de deux ensembles 66a, 66b de motifs résistifs constitués de motifs élémentaires carrés non jointifs, de résistances respectives 1000 Ω/carré et 5000 Ω/carré ;
un troisième substrat 6" en matériau diélectrique de type RO4350 d'épaisseur 0,254 mm ;
un troisième substrat espaceur 72 de type mousse à faible constante diélectrique, d'épaisseur 2,75 mm ;
un plan réflecteur 10.

Des portions résistives périphériques 74, 76 sont également ajoutées, de résistance 1000 Q/carré.
Les figures 11 et 12 illustrent les performances de l'antenne 60 avec les valeurs numériques d'exemple données ci-dessus, dans la bande de fréquences 0,5 GHz à 10GHz.
La figure 11 représente le gain axe exprimé en décibels en fonction de la fréquence, pour une polarisation circulaire droite (RHCP) et une polarisation circulaire gauche (LHCP) pour l'antenne d'exemple détaillée ci-dessus (de polarisation adaptée circulaire théorique RHCP).
La figure 12 représente le rapport axial, qui est le rapport dans l'axe radioélectrique, en décibels, en fonction de la fréquence.
La bande de fréquence considérée est de [0,5 GHz - 10 GHz].
On constate une amélioration du gain en polarisation adaptée par rapport aux résultats illustrés à la figure 4, mais une dégradation du rapport axial par rapport aux résultats de la figure 5.
Ce mode de réalisation est utile si une antenne à large bande de fréquences et à grand gain est souhaitée.
Tous les modes de réalisation sont réalisables avec les variantes de topologie des motifs décrites ci-dessus en référence au premier mode de réalisation.
Pour tous les modes de réalisation, les motifs résistifs et les portions résistives périphériques sont réalisables en encre résistive, par un procédé de fabrication aisé, par exemple par sérigraphie, par dépôt aérosol ou impression 3D.
Avantageusement, tous les modes de réalisation décrits permettent d'améliorer les performances en gain par rapport aux antennes à couche résistive formée de motifs résistifs de valeur de résistance fixe donnée.

Claims

Antenne filaire apte à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée, comportant une pluralité de couches superposées, comportant au moins un élément rayonnant (4) placé sur une couche de support (6), ladite couche de support (6) étant placée sur un substrat espaceur (8), ledit substrat espaceur (8) étant placé sur un plan réflecteur (10), comprenant au moins une couche résistive (12, 62, 64, 66) entre la couche de support (6) du ou des éléments rayonnants (4) et ledit substrat espaceur (8), la couche résistive (12, 62, 64, 66) comprenant au moins deux ensembles (12a-12c, 30a-30f, 34a, 34b, 62a-62c, 64a-64c, 66a-66c) de motifs résistifs imbriqués, caractérisée en ce que les ensembles de motifs résistifs ont des valeurs de résistance variant progressivement entre un point central d'antenne et un bord extérieur de l'antenne, de manière à réaliser un gradient de résistance.
Antenne selon la revendication 1, comportant une première portion résistive périphérique continue (44, 74), disposée dans une zone périphérique de la couche résistive et entourant le ou les ensembles de motifs résistifs de ladite couche résistive.
Antenne selon la revendication 2, dans laquelle la première portion résistive périphérique continue (44, 74), a une forme de couronne circulaire ou carrée.
Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, comportant une deuxième portion résistive périphérique continue (52, 76), disposée sur la couche de support dudit élément rayonnant et entourant ledit élément rayonnant, ladite deuxième portion ayant des caractéristiques de forme et de résistance analogues aux caractéristiques de ladite première portion résistive périphérique continue.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une pluralité d'ensembles (12a-12c, 30a-30f, 34a, 34b, 62a-62c, 64a-64c, 66a-66c) de motifs résistifs, chaque ensemble de motifs résistifs étant composé de motifs résistifs élémentaires non jointifs et ayant une valeur de résistance associée, ladite valeur de résistance étant la même pour tous les motifs résistifs élémentaires d'un ensemble de motifs résistifs.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une pluralité d'ensembles de motifs résistifs, chaque ensemble de motifs résistifs étant composé de motifs résistifs élémentaires non jointifs, chaque motif résistif élémentaire ayant valeur de résistance variable graduellement sur sa surface, la variation de résistance ayant un même sens de variation que celui de ladite variation progressive entre le point central d'antenne et le bord extérieur de l'antenne.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans laquelle tous les motifs résistifs élémentaires d'un même ensemble de motifs ont une même forme géométrique et sont régulièrement espacés.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les ensembles de motifs résistifs sont concentriques et ont une topologie carrée ou circulaire.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdits motifs résistifs sont réalisés en encre résistive.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité de couches résistives (62, 64, 66) à ensembles de motifs résistifs imbriqués à valeurs de résistance variant progressivement entre un point central d'antenne et un bord extérieur de l'antenne, deux couches résistives successives étant séparées par au moins une couche de substrat.